本發(fā)明涉及光學(xué)及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)光投影模組。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)光深度相機可以獲取目標的深度信息借此實現(xiàn)3d掃描、場景建模、手勢交互，與目前被廣泛使用的rgb相機相比，深度相機正逐步受到各行各業(yè)的重視。例如利用深度相機與電視、電腦等結(jié)合可以實現(xiàn)體感游戲以達到游戲健身二合一的效果，微軟的kinect、奧比中光的astra是其中的代表。另外，谷歌的tango項目致力于將深度相機帶入移動設(shè)備，如平板、手機，以此帶來完全顛覆的使用體驗，比如可以實現(xiàn)非常真實的ar游戲體驗，可以使用其進行室內(nèi)地圖創(chuàng)建、導(dǎo)航等功能。

結(jié)構(gòu)光深度相機中的核心部件是其投影模組，按照深度相機種類的不同，激光投影模組的結(jié)構(gòu)與功能也有區(qū)別，比如專利cn201610977172a中所公開的投影模組用于向空間中投射散斑圖案以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光深度測量，這種散斑結(jié)構(gòu)光深度相機也是目前較為成熟且廣泛采用的方案。對于散斑而言，最大的特點就是其高度的不相關(guān)性，即需要產(chǎn)生隨機散斑，在已有的結(jié)構(gòu)光深度相機中普遍采用兩種方案來實現(xiàn)散斑結(jié)構(gòu)光的投射。一種是采用單光源(邊發(fā)射激光器)加衍射光學(xué)元件(doe)；另一種是采用多光源(vcsel陣列)加doe的組合。后一種由于光源本身具有功率高、體積小等特點將會逐步取代前一種方案。由于需要考慮散斑結(jié)構(gòu)光的隨機性，采用的vcsel光源需要不規(guī)則排列，因此這種光源往往需要特別定制，由此增加了成本及研發(fā)難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)光投影模組，在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光圖案的不相關(guān)性同時能有效降低定制成本及研發(fā)難度。

為此，本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)光投影模組，包括：vcsel陣列，所述vcsel陣列包括在半導(dǎo)體基底上以二維規(guī)則圖案排列的垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)，用于發(fā)射具有所述二維規(guī)則圖案的第一光束；不規(guī)則圖案生成器，用于接收第一光束，并發(fā)射具有不規(guī)則圖案的第二光束；透鏡，用于接收并匯聚所述第二光束；結(jié)構(gòu)光圖案生成器，接收經(jīng)透鏡匯聚后的所述第二光束，并向外發(fā)射多個至少部分相互重疊的所述第二光束。

在另一實施例中，模組還包括微透鏡陣列，被設(shè)置在不規(guī)則圖案生成器與透鏡之間，微透鏡陣列包含與所述第二光束數(shù)量相同且一一對應(yīng)的微透鏡單元，通過微透鏡陣列和透鏡的二次成像，放大倍數(shù)會有所降低，從而最終發(fā)射出的結(jié)構(gòu)光圖案中子光束會更加集中。

本發(fā)明還提供一種深度相機，包括如上所述的結(jié)構(gòu)光投影模組，用于向目標空間中投影結(jié)構(gòu)化光束圖像；圖像采集裝置，用于采集目標空間中的所述結(jié)構(gòu)化光束圖像；處理器，接收由所述圖像采集裝置采集的結(jié)構(gòu)化光束圖像并根據(jù)所述結(jié)構(gòu)化光束圖像生成所述目標空間的深度圖像。所述根據(jù)所述結(jié)構(gòu)化光束圖像生成所述目標空間的深度圖像指的是利用匹配算法計算所述結(jié)構(gòu)化光束圖像與參考光束圖像之間的偏離值，根據(jù)所述偏離值計算出所述深度圖像。

本發(fā)明的有益效果：通過不規(guī)則圖案生成器將vcsel陣列發(fā)射的二維規(guī)則圖案形成為不規(guī)則的圖案，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光圖案的不相關(guān)性，同時因vcsel陣列是以二維規(guī)則圖案排列，克服了vcsel光源陣列不規(guī)則排列需要特別定的高成本問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實施方式中基于結(jié)構(gòu)光的深度相機側(cè)面示意圖。

圖2為本發(fā)明一種實施方式中結(jié)構(gòu)光投影模組的側(cè)視圖。

圖3為本發(fā)明一種實施方式中vcsel芯片的示意圖。

圖4為本發(fā)明一種實施方式中第二光束的示意圖。

圖5為本發(fā)明一種實施方式中第二光束的示意圖。

圖6為本發(fā)明一種實施方式中第二光束的示意圖。

圖7為本發(fā)明一種實施方式中第二光束的示意圖。

圖8為本發(fā)明一種實施方式中結(jié)構(gòu)光投影模組的側(cè)視圖。

圖9a為本發(fā)明一種實施方式中微透鏡陣列的示意圖。

圖9b為本發(fā)明一種實施方式中微透鏡陣列的示意圖。

圖9c為本發(fā)明一種實施方式中微透鏡陣列的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式并對照附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)光投影模組以及基于此的深度相機。在后面的說明中將對結(jié)構(gòu)光投影模組以及深度相機為例進行說明，但并不意味著這種結(jié)構(gòu)光投影模組僅能應(yīng)用在深度相機中，任何其他裝置中凡是直接或間接利用該方案都應(yīng)被包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

圖1所示的基于結(jié)構(gòu)光的深度相機側(cè)面示意圖。深度相機101主要組成部件有結(jié)構(gòu)光投影模組104、采集模組105、主板103以及處理器102，在一些深度相機中還配備了rgb相機107。結(jié)構(gòu)光投影模組104、采集模組105以及rgb相機107一般被安裝在同一個深度相機平面上，且處于同一條基線，每個模組或相機都對應(yīng)一個進光窗口108。一般地，處理器102被集成在主板103上，而結(jié)構(gòu)光投影模組104與采集模型105通過接口106與主板連接，在一種實施例中所述的接口為fpc接口。其中，結(jié)構(gòu)光投影模組用于向目標空間中投射經(jīng)編碼的結(jié)構(gòu)光圖案，采集模組采集到該結(jié)構(gòu)光圖像后通過處理器的處理從而得到目標空間的深度圖像。在一個實施例中，結(jié)構(gòu)光圖像為紅外激光散斑圖案，圖案具有顆粒分布相對均勻但具有很高的局部不相關(guān)性，這里的局部不相關(guān)性指的是圖案中各個子區(qū)域都具有較高的唯一性。對應(yīng)的采集模組105為與結(jié)構(gòu)光投影模組104對應(yīng)的紅外相機。利用處理器獲取深度圖像具體地指接收到由采集模組采集到的散斑圖案后，通過計算散斑圖案與參考散斑圖案之間的偏離值來進一步得到深度圖像。

圖2是圖1中結(jié)構(gòu)光投影模組104的一種實施例。投影模組104包括基底201、光源202、不規(guī)則圖案生成器203、透鏡204以及結(jié)構(gòu)光圖案生成器205。

基底201用于固定光源202，一種優(yōu)選的實施方式中，基底為半導(dǎo)體基底，在半導(dǎo)體基底表面直接制作vcsel光源陣列。在一些實施例中，基底也用于提供散熱、電連接等作用，比如由散熱件、電路板共同組成的底座。光源202包含多個子光源用于發(fā)射多個子光束(第一光束)，光源可以是可見光、不可見光如紅外、紫外等激光光源，光源的種類可以是邊發(fā)射激光也可以垂直腔面激光，為了使得整體的投影模組體積較小，最優(yōu)的方案是選擇垂直腔面激光發(fā)射器陣列(vcsel陣列)作為光源。圖中為了方便示意，僅在一維上列出3個子光源，事實上vcsel陣列是以固定二維規(guī)則圖案排列的二維光源，如圖3所示。在一些實施例中，vcsel陣列整體大小僅在微米量級，比如5mmx5mm大小，上面排列了幾十個甚至上百個光源，各個光源之間的距離處于微米量級，比如10μm。

vcsel陣列中由于vcsel單元是規(guī)則排列，因而發(fā)射出第一光束206同樣為規(guī)則排列，考慮到結(jié)構(gòu)光投影模組最終輸出的結(jié)構(gòu)光圖案要求具有隨機性或不相關(guān)性，而排列規(guī)則的光束往往滿足不了這一要求。因此在光路中增加不規(guī)則圖案生成器203，在一種實施例中，該不規(guī)則圖案生成器203為衍射光學(xué)元件(doe)，排列規(guī)則的第一光束206經(jīng)過不規(guī)則圖案生成器203后形成圖案排列不規(guī)則的第二光束207，如圖4所示。第二光束207中子光束的數(shù)量以及排列的方式均可以通過對doe的設(shè)計來實現(xiàn)，一般地第二光束207中子光束的數(shù)量不低于第一光束206的數(shù)量(即vcsel光源的數(shù)量)。

在其他的實施例中，通過對不規(guī)則圖案生成器203進行設(shè)計，使得排列規(guī)則的第一光束2016經(jīng)過不規(guī)則圖案生成器203后，形成的第二光束207除圖案位置排列不規(guī)則外，其圖案在至少一個維度上也發(fā)生了變化。該維度包括沿圖案的任一方向和以該圖案中某店為中心向四周擴散的極坐標方向，任一方向包括圖案的左右方向和/或上下方向，變化包括圖案的分布密度、圖案的大小、形狀、樣式。

在一種實施例中，如圖5所示，第二光束207的圖案為散斑顆粒圖案，其顆粒的分布密度沿橫向發(fā)生變化，分布密度也發(fā)生改變，具體地指在橫向維度上顆粒分布密度越來越小，選擇圖案的一個子區(qū)域，可以明顯看到左側(cè)的子區(qū)域501中顆粒的數(shù)量要大于右側(cè)的子區(qū)域502。在其他的實施例中，顆粒的分布密度在橫向維度上越來越大?？梢岳斫獾氖?，可以沿其他任何方向來設(shè)置密度的變化，比如縱向、45度斜向等等。另外，在其他實施例中散斑顆粒的大小也可以沿橫向發(fā)生變化。

在一種實施例中，如圖6所示，第二光束207的圖案由多個矩形子圖案構(gòu)成，而且在圖案的左側(cè)為豎向的矩形、右側(cè)為橫向的矩形。圖案沿橫向也發(fā)生變化，只不過不是密度變化而是形狀變化?？梢匝由斓氖?，在其他的實施例中，右側(cè)也可以為圓形等其他樣式，即圖案沿橫向其樣式發(fā)生變化。可以理解的是，本實施例中形狀或樣式變化的方向可以沿任一方向，另外發(fā)生變化可以不單單僅針對形狀或變化，也可以結(jié)合前面所述的密度、大小等等。

在一種實施例中，如圖7所示，第二光束207的圖案可以看成是以圖案中心為原點，隨著半徑越大即隨著極坐標發(fā)生變化，具體變化的是子圖案的形狀(半徑發(fā)生的變化)。圖中所示的子圖案是整個圓環(huán)形狀，也可以是由多個圓環(huán)的部分共同組成的殘缺圓環(huán)形狀。可以理解的是，圖案也可以以其他任何點作為原點，如圖像的四個頂點。

在一種實施例中，不規(guī)則圖案生成器203也可以為微透鏡陣列，通過微透鏡陣列中各微透鏡單元的不規(guī)則排列可以實現(xiàn)對光束206的重新排布，以及維度上的變化?？梢岳斫獾氖牵灰悄軐⒁?guī)則圖案光束重新調(diào)整為不規(guī)則圖案光束的光學(xué)元件，和/或使圖案的維度發(fā)生變化，均可以作為本發(fā)明中的不規(guī)則圖案生成器，比如doe、微透鏡陣列、光柵等。

不規(guī)則光束207將會發(fā)射到透鏡204上，并經(jīng)透鏡204匯聚后形成更準直的不規(guī)則圖案光束。在透鏡204后將設(shè)置一個結(jié)構(gòu)光圖案生成器205，在一種實施例中，該結(jié)構(gòu)光圖案生成器為doe，該doe的作用是將不規(guī)則圖案光束復(fù)制出多個向外發(fā)射，相鄰兩個不規(guī)則圖案光束之間允許有重疊。因而該doe的作用可以看成是將數(shù)量有限的光束經(jīng)復(fù)制、交叉重疊的方式產(chǎn)生數(shù)量更多、密度更大、隨機性更高的結(jié)構(gòu)光圖案。除doe之外，該結(jié)構(gòu)光圖案生成器也可以為微透鏡陣列、光柵等光學(xué)器件。

為了減小體積，透鏡與結(jié)構(gòu)光圖案生成器也可以被制作在同一個光學(xué)元件上，該光學(xué)元件具有兩個表面，分別用來執(zhí)行透鏡以及生成結(jié)構(gòu)光圖案的功能。

減小體積的另一種方式是利用晶圓級光學(xué)工藝將光源202、光學(xué)元件203、204、205都直接制作在半導(dǎo)體基底上。這種工藝的好處一方面減小整體模組的體積，另一方面可以在一片晶圓上同時制作n個模組，最后經(jīng)切割形成多個獨立的模組，從而大幅度提高生產(chǎn)效率。

圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的另外一種結(jié)構(gòu)光投影模組。與圖2所示的區(qū)別在于，在不規(guī)則圖案生成器203與透鏡204之間，放置了一個微透鏡陣列301，該微透鏡陣列由多個微透鏡單元組成，微透鏡單元的數(shù)量與不規(guī)則圖案生成器所發(fā)射出的不規(guī)則圖案光束中子光束的數(shù)量相同，且處于一一對應(yīng)關(guān)系。微透鏡單元將各個子光束匯聚進入透鏡204。相比于前一種實施方式，這種方式的好處在于，添加了微透鏡陣列后，由單個透鏡的一次成像系統(tǒng)變成了二次成像系統(tǒng)，放大倍數(shù)會有所降低，從而最終發(fā)射出的結(jié)構(gòu)光圖案中子光束會更加集中；另一方面，通過微透鏡陣列與透鏡之間距離的調(diào)節(jié)可以很方便地調(diào)節(jié)最終的成像效果以滿足不同的成像需求。

圖8中的微透鏡單元為凸透鏡，但微透鏡單元不限于此，微透鏡陣列301中的微透鏡單元可以為凸透鏡也可以凹透鏡，在這里不予限制，當為凹透鏡時，微透鏡單元將各個子光束發(fā)散后進入透鏡204。透鏡面一般為球面，在一些實施例中，也可以為非球面，比如在一個實施例中當光源光束形狀為橢圓形時，可以通過柱形透鏡面將橢圓形光束進行整形以形成圓形光束；又如在一個實施例中，通過特殊設(shè)計的非球面透鏡以消除透鏡的球形像差以形成更加精確的斑點圖案。又如在一個實施例中通過特殊設(shè)計的非球面透鏡將圓形光束整形成具有統(tǒng)一形狀的光束形狀，這種設(shè)置可以使得整體結(jié)構(gòu)光投影模組所發(fā)射的斑點具有統(tǒng)一的非圓形形狀，在一些情形下有利于提高深度計算的準確性；

多個微透鏡所發(fā)射的光束，其形狀可以相同，也可以不同，如在一個實施例中通過特殊設(shè)計的非球面透鏡將圓形光束整形成具有統(tǒng)一形狀的光束形狀，這種設(shè)置可以使得整體激光投影裝置所發(fā)射的斑點具有統(tǒng)一的非圓形形狀，在一些情形下有利于提高深度計算的準確性；又如在一個實施例中，通過特殊設(shè)計的球面和非球面透鏡將光束整形成具有不同形狀的光束，進一步增加不相關(guān)的特性，有利于提高深度計算的準確性。

當微透鏡陣列301中各個透鏡單元僅有一個透鏡面時，透鏡面可以被放在朝向光源的一面也可以被放在背向光源的一面。在一些實施例中，每個透鏡單元也可以兩面都有透鏡面。微透鏡單元的幾何形狀可以有多種形狀，比如圖9a所示的圓形形狀以及圖9b所示的六角形狀，也可以是未示出的方形、菱形等形狀。在一些實施例中，微透鏡單元也可以有多種幾何形狀共同構(gòu)成，比如同一個微透鏡陣列中一半透鏡單元為六角形狀，另一半透鏡單元為圓形形狀，一種優(yōu)選的實施方式如如圖9c所示，不同的形狀之間相互錯開分布。這種實施方式的好處在于，將不同形狀對應(yīng)的光源分開控制，比如六角形狀微透鏡單元對應(yīng)的光源與圓形形狀微透鏡單元對應(yīng)的光源被分組控制，可以實現(xiàn)獨立打開以及同步打開，在入射的光源為同一形狀時，可以形成形狀不同或密度不同的發(fā)射光束圖案?？梢岳斫獾氖牵瑘D8中微透鏡單元的排列方式需要與圖4中不規(guī)則光束圖案一致，這樣才能保證不規(guī)則圖案光束中的每一個子光束均有一個微透鏡單元與之一一對應(yīng)。微透鏡陣列301與不規(guī)則圖案生成器203之間的距離需要進行特別設(shè)置，一般地需要滿足兩個條件，一是保證各個微透鏡單元僅通過第二光束中的單個子光束，相鄰光束之間不會有干擾；二是不規(guī)則圖案生成器203最好位于微透鏡單元2倍焦距以外，以保證光束充分聚焦。微透鏡陣列與透鏡的距離最好大于透鏡焦距與微透鏡單元焦距的和。需要說明的是，這里僅給出了一種最優(yōu)方案，并非是對本發(fā)明的方案的限制。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光投影模組的光路布置圖事實上也是對第二光束的二次成像，與已有技術(shù)中單個透鏡的光路布置圖相比，二次成像的放大倍數(shù)可以調(diào)整，且系統(tǒng)的集成度更高。目前單個透鏡的放大倍數(shù)一般在200左右，而本發(fā)明由微透鏡陣列與主透鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)則可以實現(xiàn)40～200。更小的放大倍數(shù)則意味著最終形成的散斑圖案更加集中，相同的發(fā)光功率可以傳輸?shù)礁h的距離且保持較高的圖案質(zhì)量，深度圖計算精度將更高。另外根據(jù)不同的應(yīng)用場景需要，比如對于遠距離測量，則可以調(diào)節(jié)微透鏡陣列與主透鏡之間的距離以增大放大倍數(shù)從而增加激光投影模組的投影斑點大小，以保證在遠距離時仍能獲取較高質(zhì)量的斑點圖案，反之則減小放大倍數(shù)。通過在安裝時調(diào)節(jié)距離的方式較之于設(shè)計不同焦距的透鏡而言，無論是成本還是實現(xiàn)方式上都有更大的優(yōu)勢。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。